“Preliminary Investigation into the Effects of Carbonation on Cement-Solidified Hazardous Wastes” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli.

Presentazione sul tema: "“Preliminary Investigation into the Effects of Carbonation on Cement-Solidified Hazardous Wastes” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli."— Transcript della presentazione:

1 “Preliminary Investigation into the Effects of Carbonation on Cement-Solidified Hazardous Wastes” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli Impianti di Ingegneria Sanitaria- Ambientale Info paper: Liséte C. Lange, Colin D. Hills, Alan B. Poole, Environmental Science and Technology, Vol. 30, pp. 25-30, 1996

2 Caso studio 1: Aspetti generali Solidificazione mediante cemento:  Trattamento utilizzato per rifiuti inorganici pericolosi per la salute;  Applicazione per scarti industriali e aree contaminate;  Abbattimento della mobilità del contaminante migliorandone l’accettabilità in discariche autorizzate. Carbonatazione di cemento e malta:  Abbassamento del pH dei fluidi presenti nei pori;  Variazione di volume per la trasformazione della Portlandite a Calcite;  Decalcificazione del CSH;  Corrosione delle armature.

3 Caso studio 1: Aspetti generali Il fenomeno di carbonatazione presenta effetti differenti in rifiuti solidificati in cui l’idratazione è compromessa da agenti leganti; Esempi:  Stabilizzazione di metalli pesanti nei cementi dopati con alto tasso di carbonatazione;  Alterazione dello stato chimico di silice idrata e miglioramento dei fenomeni di stabilizzazione;  Decomposizione dell’ettringite in gypsite e carbonato di calcio (condizioni dry);  Decomposizione dell’ettringite in condizioni wet:

4 Caso studio 1: Aspetti generali Miglioramento delle proprietà di stabilizzazione ad opera della presenza di carbonato di calcio; Determinazione di:  Effetti su materiale solidificato da rifiuti commerciali mescolati con cemento Portland ordinario;  Resistenza del rifiuto solidificato;  Sviluppo della microstruttura del rifiuto stabilizzato;  Composizione dei metalli nel lisciviato.

5 Caso studio 1: Materiali e metodi Cemento Portland ordinario per la stabilizzazione di rifiuto commerciale stabilizzato; Rifiuto (caratteristiche generali):  Contenuto solidi: 55% (m/m);  pH: 8-10;  TOC: 2-4% (<5 mg/l solubile); Rifiuto impiegato (caratteristiche):  pH: 8;  Solidi disciolti totali: 9200 mg/l;  TOC solubile: 2 mg/l;  Metalli in forma idrossida.

6 Caso studio 1: Materiali e metodi Trattamenti preliminari:  Essiccamento a 105°C;  Riduzione granulometria a 500 μm;  Mix rifiuto essiccato, Portland e acqua distillata;  Contenuto solidi: 55-65%;

7 Caso studio 1: Materiali e metodi Cilindri (50X50 mm) in stampi di PVC:  Contenitori a controllo climatico;  Tempo maturazione: 28 gironi;  Ambiente/laboratorio;  CO 2 ;  Azoto.  Estrazione dei cilindri dagli stampi in PVC dopo 5 giorni.

8 Caso studio 1: Materiali e metodi Ambiente CO 2 :  Umidità relativa: 50% (massimo tasso di carbonatazione);  Passaggio del gas in bottiglie contenenti Mg(NO 3 ) 2 ·6H 2 O saturo;  Insufflazione d’aria e stabilizzazione con 5 ml/l di CO 2 per 10 min (ciclo periodico);  T= 20-23°C.  Raccolta di campioni di azoto.

9 Caso studio 1: Materiali e metodi Determinazione dell’unconfined compressive strength (UCS):  Cella di carico: 10 kN;  Velocità del testacroce: 1 mm/min;  Tre cilindri con superficie smerigliata. Test lisciviazione:  Cilindri fratturati;  Tempo di miscelazione: 24 ore;  Filtrazione e analisi del lisciviato. Mineralogia:  Diffrattometria a raggi-X.

10 Caso studio 1: Risultati Aumento della forza all’aumentare della miscela di OCP; 12.38 MPa con condizionamento di CO 2 nell’esperimento di controllo (65%); Riduzione della forza con aggiunta di rifiuti; Valori forza inferiori ai limiti ammissibili per le condizione di auto sostenimento (OCP 20%).

11 Caso studio 1: Risultati

12 Aumento di calcite progressivo seguendo l’ordine Azoto<Bench<CO 2 ; Maggior decremento di C 3 S in presenza di CO 2.

13 Caso studio 1: Risultati Decomposizione dell’ettringite e formazione di calcite e gypsum (condizionamento con CO 2 ).

14 Caso studio 1: Risultati

15

16 Caso studio 1: Approfondimenti Vantaggi del processo di carbonatazione per i rifiuti solidificati:  Variazione della CEC del CSH gel;  Progressiva polimerizzazione del CSH gel per il consumo di OH e Ca (produzione di CaCO 3 );  Reazione tra portlandite e CO 2 nel produrre CaCO 3 ;  Variazione di volume comportano il riempimento dei pori, l’addensamento del materiale, miglioramento dell’integrità strutturale;  Precipitazione di metalli (es. CaZn(OH) 4.2H 2 O);  Aumento della forza per fenomeni d’idratazione di C 3 S per la formazione di CaCO 3.

17 Caso studio 1: Approfondimenti

18 Caso studio 1: Conclusioni Stretta correlazione fra idratazione del C 3 S e formazione di calcite (livelli ottimali di cemento); Assenza di fasi d’idratazione in ambiente condizionato da azoto (bassa presenza di portlandite); La presenza di calcite, gypsum ed ettringite non consentono una completa carbonatazione; Minore lisciviazione per i campioni condizionati da CO 2 nonostante l’assenza di portlandite; Modifica dei pori e precipitazione dei sali metallici influenzano ampiamente i fenomeni di lisciviazione; La stabilizzazione del rifiuto prima dell’aggiunta di OPC comporta una riduzione di lisciviato (pH costante).

19 “Fundamentals for the Thermal Remediation of Contaminated Soils. Particle and Bed Desorption Models ” Corso in: Bonifica dei siti contaminati – Gestione degli Impianti di Ingegneria Sanitaria- Ambientale Info paper: Joann S. Lighty, Geoffrey D. Silcox, David W. Pershing, Environmental Science and Technology, Vol. 24, pp. 750-757, 1990

20 Caso studio 2: Aspetti generali Processi termici:  Fase di desorbimento termico;  Fase di incenerimento. Desorbimento termico:  Step limitanti: trasferimento di calore e di massa;  Desorbimento ad elevate temperature;  Desorbimento a basse temperature (<500°C) (post- trattamento ad elevate temperature).

21 Caso studio 2: Aspetti generali Studio incentrato sul desorbimento termico:  Trasporto inter-particellare con concentrazione e temperatura definite alla superficie delle particelle;  Trasporto inter-particellare con concentrazione e temperatura definite sullo strato superficiale di un letto di particelle;  Determinazione del tempo necessario all’evoluzione delle specie chimiche; Reattori:  Particle-characterization reactor (PCR): fenomeni di controllo sulla superficie particellare;  Bed-characterization reactor: resistenza inter-particellare;  Rotary skiln simulator: processi di trasporto a scala reale;  Modellazione matematica.

22 Caso studio 2: Materiali e metodi Reattore PCR:  Letto di suolo: spessore 2.5 cm;  Flusso desorbente pre-riscaldato;  90% temperatura operativa in 10 min;  6 porte di campionamento;  Pre-riscaldamento a mezzo di uno scambiatore di calore tubolare.

23 Caso studio 2: Materiali e metodi Reattore BCR:  Reattore unidirezionale;  Due sistemi di pre-riscaldamento (termo-coppia e bilancia elettrica);  Perdita di peso del gas e contaminante.

24 Caso studio 2: Materiali e metodi Suolo:  Umidità: 10%;  Mineralogia: quarzo, illite, montmorillonite;  Pori: 8×10 -7 cm;  Superficie (BET): 15 m 2 /g;  Argilla: 0.24% carbonio organico e 0.41% sostanza organica;  Vagliatura: 1.3 cm;  Contaminazione artificiale di p-Xylene.

25 Caso studio 2: Risultati Reattore PCR:  Parametro indipendente principale rappresentato dalla temperatura;  Concentrazione residua di p-Xylene nel suolo per valori superiori al punto ebollizione (139°C);  Desorbimento proporzionale alla portata di gas con concentrazioni di gas esausto costanti;  Parametro di controllo rappresentato da adsorbimento/desorbimento;  Processi di adsorbimento osservati su argilla non contaminata (Fit dati non soddisfacente per bassi livelli di concentrazione nella fase gassosa).

26 Caso studio 2: Risultati Reattore PCR (modello matematico):  Assenza di dispersione assiale e gradiente radiale;  Isoterma di Freundlich: x= distanza; t= tempo; C g = conc. nel gas; C= conc. nel solido; u= velocità del gas; ρ= densità; ε= porosità. f’(C g )

27 Caso studio 2: Risultati Reattore PCR (modello matematico):  Eq. 3 ed equazione di trasferimento del calore risolte mediante approssimazione agli elementi finiti;  Diametro particelle: diametro medio delle particelle vagliate;  Flusso di gas: costante;  ρ ed ε: determinati sperimentalmente.

28 Caso studio 2: Risultati Reattore PCR (modello matematico): Ipotesi: Trascurabile conduzione di calore lungo il solido e assialmente; Trascurabile perdite per evaporazione.

29 Caso studio 2: Risultati Reattore PCR (modello matematico):  Concentrazione di p-Xylene:  Desorbimento= 60 min;  Evoluzione del contaminante funzione del processo di adsorbimento e T.

30 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR:  Perdita di peso: 0.8% (dati bilancio);  Perdita di contaminanti: 0.4% dati (dati GC);  Possibile presenza di sostanza organica;  Elevato gradiente della temperatura verticale.

31 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR (modello matematico):  Perdita per evaporazione trascurabile; T s = temperatura della piastra radiale; T g = temperatura sommità del letto.

32 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR (modello matematico):  Approssimazione agli elementi finiti:  Diffusività molecolare (D ab ) e diffusività effettiva (D eff ):  Concentrazione gas alla superficie particellare (C sat ):

33 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR (modello matematico):  Equazioni di trasferimento del calore (Eq. 6) e della massa (Eq. 7-11) (Trascurabile perdita per evaporazione);  Emissività:  C crit = 2.365x10 -5 kg-mol/kg ;  Conduttività termica (k) e H 1 : variabili (fit);  Capacità termica, porosità e Densità del letto: determinati sperimentalmente. e heater = 0.75; e soil = 0.9.

34 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR (modello matematico):  La riduzione di C crit comporta un aumento del tasso di desorbimento;

35 Caso studio 2: Risultati Reattore BCR (modello matematico):  Maggiore riduzione di fenomeni di resistenza al diminuire della profondità; Riduzione della contaminazione nel suolo:  Temperatura del suolo (inferiore al punto di ebollizione);  Resistenza del letto (profondità, miscelazione);  Tempo di ritenzione (concentrazioni residue di contaminante).

36 Caso studio 2: Conclusioni Incrementi della temperatura comportano minori concentrazioni all’equilibrio nella fase solida; Trasporto inter-particellare non influente come parametro di controllo; Dipendenza fra la temperatura e la concentrazione residua; Evoluzione del contaminante fino al raggiungimento della concentrazione critica; Variazione logaritmica del calore di adsorbimento con la copertura superficiale (modello PCR); Perdita di calore per evaporazione non trascurabile per elevate concentrazioni iniziali di contaminante; Elevata influenza del trasferimento di massa e resistenza termica sul processo di desorbimento del contaminante. Minori profondità del letto comportano fenomeni di desorbimento più rapidi.